(57)【要約】【課題】  ストレージ部やタイミング発生回路が不要であると共に、ダイナミックレンジを変更しても、露光期間が変わらない撮像装置を提供する。【解決手段】  各画素を、入射光を光電変換するフォトダイオードＤ１と、このフォトダイオードＤ１と接続されたリセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１と、ＭＯＳトランジスタＴＲ１と接続された時定数回路となるコイルＬ１とを設けて構成する。露光時間中の全期間にわたって、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１を間欠的にスイッチング動作させると、電荷が徐々に引き抜かれ、ダイナミックレンジが調整できる。新たにストレージ部を設置する必要がなく、また、ダイナミックレンジを変更しても、露光期間は変わらない。【選択図】        図２
2006237789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体画像に対応した信号電荷を蓄積する撮像素子の画素と、
この撮像素子の各画素に蓄積された信号電荷をリセットする信号電荷リセット手段と、
この信号電荷リセット手段に接続され、時定数を作用させて信号電荷をリセットする時定数手段と、
前記撮像素子の有効画素領域を複数の領域に分割し、読み出しを行う領域分割手段と、
この領域分割手段により分割された領域毎に、各領域の露光時間の全期間にわたって間欠的に前記信号電荷リセット手段により前記画素に蓄積された信号電荷のリセットを行い、異なる感度に調整をする感度調整手段と、
前記撮像素子の各画素からの出力信号に対して、撮像素子の各画素からの出力信号を前記領域分割手段により分割された領域毎に演算処理し、各領域のダイナミックレンジを調整する出力信号演算手段と、
を有する撮像装置。
【請求項２】
前記時定数設定素子はコイルであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記時定数設定素子はフェライトビーズであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像信号処理回路は、撮像素子の分割された画素領域毎のエリアマップを有しており、前記撮像素子から領域分割された出力信号を受信し、エリアマップの補正値を用いてダイナミックレンジの特性を補正するリニアリティ補正回路を、更に有していることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記画像信号処理回路は、分割エリア段差補正回路を更に含んでいることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードと、
このフォトダイオードに接続され蓄積された電荷をリセットするリセットゲートと、
このリセットゲートと電源間に接続された時定数設定素子と、
前記フォトダイオードと前記リセットゲート間に接続された転送ゲートと、
前記フォトダイオードを複数領域に分割して制御する領域分割回路と、
前記領域分割回路により分割されたフォトダイオードの各領域を、フォトダイオードの露光期間の全期間にわたって間欠的にリセットし、感度を調整する感度調整回路と、
前記フォトダイオードから前記転送ゲートを通して転送された信号を前記領域分割回路により分割された領域毎に演算処理し、各領域のダイナミックレンジを調整するダイナミックレンジ調整回路と
を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光期間中に電荷を徐々に引き抜くことで、ダイナミックレンジを変更可能とする撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子では、各画素の入射光を光電変換し、電荷を蓄積し、その蓄積電荷を信号電荷として読み出すようにしている。各画素に蓄積できる電荷量には限界があり、各画素の信号蓄積量を越えるような入射光の場合には、電荷量が飽和してしまい、映像情報が失われてしまう。そこで、撮像素子のダイナミックレンジの拡大に関して、いくつかの提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、固体撮像装置及びこれを搭載したビデオカメラが開示されている。この特許文献１には、センサ部で光電変換された信号電荷を一時的に蓄積可能なストレージ部を有し、電子シャッタ動作が可能な固体撮像素子が開示されている。また、この固体撮像素子に対して１フィールドあたり複数回の露光期間を設定するためのシャッタパルス及び、複数回の露光期間でセンサ部に蓄積された各信号電荷をストレージ部に読み出すための読み出しパルスを与えるタイミング発生回路とを備えた固体撮像装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、高ダイナミックレンジを実現する撮像・合成方法及び高ダイナミックレンジ撮像装置が示されている。この撮像装置は、電荷蓄積期間を制御できる撮像素子と、電荷蓄積期間の異なる２枚以上の画像の信号レベルに応じて重みを付けるレベル重み手段と、レベル重み手段の出力を標準テレビ信号の速度に変換する速度変換手段と、得られた高ダイナミックレンジ信号のレベルを基準レベルに圧縮するレベル圧縮手段とを有している。そのため、暗い画像から明るい画像まで飽和やノイズの少ない画像を得ることができる。
【特許文献１】特開平８−２９４０５８号公報
【特許文献２】特開平６−１４１２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上述の特許文献１に係る従来技術では、１フィールドあたり複数回の露光期間を設定するためのシャッタパルス及び、複数回の露光期間でセンサ部に蓄積された各信号電荷をストレージ部に読み出すための読み出しパルスを与えるタイミング発生回路とが必要である。
【０００６】
また、特許文献２に係る従来技術では、１フレームの中に複数の感度を設定して得られた複数の画像を合成することで、撮像装置のダイナミックレンジを広げるようにしている。それを実現させるためには、撮像装置に高感度用と低感度用との２つ以上の画像メモリを有する必要がある。
【０００７】
また、特許文献１及び特許文献２に係る従来技術では、ダイナミックレンジを変更すると、それに伴って露光期間が変わってくる。このように、露光期間が変わってくると、被写体が動いている場合の撮像では有効画素内で複数に分割されたエリア毎で設定される異ったダイナミックレンジに依存して、１フレームの中に各エリア間での被写体のブレ量が異なる画像が存在することになるという問題がある。また、被写体の照度や色温度が常に一定とは限らない被写体を撮像した場合には、露光期間が一致していないことを理由に、有効画素内で複数に分割されたエリア毎に照度段差やクロマ段差が発生してしまうという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の従来の課題に鑑み、ストレージ部やそれを読み出すためのタイミング発生回路が不要であると共に、ダイナミックレンジを変更しても、露光期間が変わらない撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明に係る撮像素子は、被写体画像に対応した信号電荷を蓄積する撮像素子の画素と、この撮像素子の各画素に蓄積された信号電荷をリセットする信号電荷リセット手段と、この信号電荷リセット手段に接続され、時定数を作用させて信号電荷をリセットする時定数手段と、撮像素子の有効画素領域を複数の領域に分割し、読み出しを行う領域分割手段と、この領域分割手段により分割された領域毎に、各領域の露光時間の全期間にわたって間欠的に信号電荷リセット手段により画素に蓄積された信号電荷のリセットを行い、異なる感度に調整をする感度調整手段と、撮像素子の各画素からの出力信号に対して、撮像素子の各画素からの出力信号を領域分割手段により分割された領域毎に演算処理し、各領域のダイナミックレンジを調整する出力信号演算手段とを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明に係る撮像素子では、時定数設定素子はコイルであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明に係る撮像素子では、時定数設定素子はフェライトビーズであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明に係る撮像素子では、撮像信号処理回路は、撮像素子の分割された画素領域毎のエリアマップを有しており、撮像素子から領域分割された出力信号を受信し、エリアマップの補正値を用いてダイナミックレンジの特性を補正するリニアリティ補正回路を、更に有していることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明に係る撮像素子では、画像信号処理回路は、分割エリア段差補正回路を更に含んでいることを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明に係る撮像素子は、被写体からの入射光を光電変換するフォトダイオードと、このフォトダイオードに接続され蓄積された電荷をリセットするリセットゲートと、このリセットゲートと電源間に接続された時定数設定素子と、フォトダイオードとリセットゲート間に接続された転送ゲートと、フォトダイオードを複数領域に分割して制御する領域分割回路と、領域分割回路により分割されたフォトダイオードの各領域を、フォトダイオードの露光期間の全期間にわたって間欠的にリセットし、感度を調整する感度調整回路と、フォトダイオードから前記転送ゲートを通して転送された信号を領域分割回路により分割された領域毎に演算処理し、各領域のダイナミックレンジを調整するダイナミックレンジ調整回路とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、各画素として、入射光を光電変換するフォトダイオードと、このフォトダイオードと接続されたリセットゲートと、リセットゲートに接続された時定数回路とを設け、露光時間中の全期間にわたって、リセットゲートを間欠的にスイッチング動作させることで、感度調整を行える。
【００１６】
このように、信号電荷リセット機能に時定数を持たせた撮像素子のリセット素子をスイッチング動作させることで感度調整を可能とした撮像素子を用いているので、ダイナミックレンジを可変させるために、新たにストレージ部を設置する必要がないという効果がある。また、シャッタパルスによる複数回の露光期間を設定する必要がないという効果がある。また、本発明では、ストレージ部に読み出すための読み出しパルスを与えるタイミング発生回路を新たに設置する必要がないという効果がある。また、本発明では高感度用と低感度用との２つ以上の画像メモリを設ける必要がないという効果がある。
【００１７】
更に、本発明では、信号電荷リセット機能に時定数を持たせた撮像素子のリセット素子をスイッチング動作させることで感度調整を可能とした撮像素子を用いているので、ダイナミックレンジを変更させても、露光期間が変わらないという効果がある。このように露光期間を一致させることにより、１フレームの中にある各エリア間での被写体のブレ量の差を抑制するとともに、被写体の照度や色温度が常に一定とは限らない被写体を撮像した場合の有効画素内で複数に分割されたエリア毎での照度段差やクロマ段差を軽減することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明が適用できる撮像素子の概要を示すものである。図１において、撮像素子の有効画像領域には、複数の画素Ｐｉｊが二次元配置される。なお、画素Ｐｉｊにおいて、ｉは行番号、ｊは列番号（ｉ≧１、ｊ≧１：双方整数）を表している。ここでは説明を簡単とするため、Ｘ−Ｙアドレス型撮像素子において、縦横（４画素：４画素）領域の画面としているが、実際には、（６４０×４８０）、（１０２４×７６８）、（１２８０×９６０）等、種々ものがある。
【００１９】
垂直走査回路１からは、行毎に、読み出し制御線Ｒｎ（ｎ≧１：整数＝行番号）が導出される。この読み出し制御線Ｒｎに、各画素Ｐｉｊが連結される。水平走査回路２からは、列毎に、垂直信号読み出し線Ｖｍ（ｍ≧１：整数＝列番号）が導出される。この垂直信号読み出し線Ｖｍに、各画素Ｐｉｊが連結される。
【００２０】
垂直走査回路１からは、順次、列単位で、各画素へ行読み出し選択パルスが送出される。この読み出し選択パルスにより、該当行画素の画素信号が垂直信号読み出し線Ｖｍに開放される。水平走査回路２には、垂直信号読み出し線Ｖｍを介して送られてきた各行の画素信号が取り込まれる。この画素信号が転送パルスにより順次出力される。
【００２１】
図２は、本発明が適用された固体撮像素子の各画素Ｐｉｊの内部構造を示したものである。本発明が適用された撮像装置では、各画素Ｐｉｊとして、図２に示すように、入射光を光電変換するフォトダイオードＤ１と、このフォトダイオードＤ１と接続されたリセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１と、ＭＯＳトランジスタＴＲ１と接続された時定数回路となるコイルＬ１とを設け、露光時間中の全期間にわたって、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１を間欠的にスイッチング動作させることで、感度の調整が行えるようにしたものが用いられている。
【００２２】
図２において、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソースには、フォトダイオードＤ１が接続される。ＭＯＳトランジスタＴＲ１のドレインは、コイルＬ１を介して、電源ＶDDに接続される。
【００２３】
ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソースとフォトダイオードＤ１との接続点と、ＭＯＳトランジスタＴＲ３のゲートとの間に、ＭＯＳトランジスタＴＲ２が接続される。ＭＯＳトランジスタＴＲ３のゲートには、コンデンサＣ１が設けられる。
【００２４】
ＭＯＳトランジスタＴＲ３のドレインは、電源ＶDDに接続される。ＭＯＳトランジスタＴＲ３のソースと、垂直信号読み出し線Ｖｍとの間には、ＭＯＳトランジスタＴＲ４が接続される。
【００２５】
ＭＯＳトランジスタＴＲ１は、フォトダイオードＰＤに蓄積された光電変換電荷をリセットする（掃き捨てる）リセットゲートである。ＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲートには、１フレームの開始時にリセットパルスが供給される。このリセットパルスにより、フォトダイオードＤ１に蓄積されていた電荷がリセットされる。
【００２６】
また、本発明が適用された撮像素子では、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲートには、露光期間中に、ダイナミックレンジ調整パルスが供給される。このダイナミックレンジ調整パルスにより、ＭＯＳトランジスタＴＲ１がスイッチングされる。これにより、感度調整が行われる。
【００２７】
ＭＯＳトランジスタＴＲ２は、フォトダイオードＤ１に蓄積された光電変換電荷をトランジスタＴＲ３のゲートに転送する転送ゲートである。ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲートに転送パルスが供給されると、フォトダイオードＤ１に蓄積されていた光電変換電荷がコンデンサＣ１に蓄積される。
【００２８】
ＭＯＳトランジスタＴＲ３は、光電変換による蓄積された電荷を電圧に変換するトランジスタである。
【００２９】
ＭＯＳトランジスタＴＲ４は、フォトダイオードＤ１の光電変換電荷に基づく画素信号を垂直信号読み出し線Ｖｍへ開放する画素選択ゲートである。ＭＯＳトランジスタＴＲ４のゲートには、行読み出し選択パルスが供給される。この行読み出し選択パルスにより、画素信号が垂直信号読み出し線Ｖｍへ開放される。
【００３０】
上述のように、本発明が適用された撮像素子における画素においては、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１のドレインにコイルＬ１が接続されている。そして、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲートに、露光期間中の全期間にわたって、ダイナミックレンジ調整パルスが供給される。このダイナミックレンジ調整パルスにより、ＭＯＳトランジスタＴＲ１がスイッチングされ、感度調整が行われる。
【００３１】
つまり、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のドレインには、コイルＬ１が接続され、時定数回路が形成される。このため、露光時間中の全期間にわたって、このダイナミックレンジ調整パルスによりＭＯＳトランジスタＴＲ１を間欠的にスイッチングすると、フォトダイオードＤ１からの光電変換電荷は、コイルＬ１の時定数に基づいて、徐々に引き抜かれる。引き抜かれる電荷量は、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のゲート時間により制御できる。
【００３２】
なお、ここでは、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のドレインにコイルＬ１を接続しているが、このコイルは、例えば、パターンにより形成できる。また、時定数回路が形成できれば、コイルを用いる必要はなく、例えば、フェライトビーズを用いても良い。更に、コイルは、各種受動素子と、各種能動素子とすることができ、更に、寄生容量、浮遊インダクタンス、等価直列抵抗とすることができる。
【００３３】
また、図２ではＭＯＳトランジスタ４個からなる撮像素子を示しているが、本発明は、このような撮像素子に限定されるものではない。
【００３４】
このように、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１を間欠的にスイッチング動作させることで、感度の調整が行えることについて、更に説明する。
【００３５】
図３は、時間に対して一定照度の下で、全白チャートを、撮像素子のダイナミックレンジが１００％の照度で撮影した場合と、ダイナミックレンジが４００％の照度で撮像した場合の、露光時間と発生する電荷との関係を示したものである。
【００３６】
図３において、横軸は露光時間を示し、縦軸はフォトダイオードで発生する信号電荷の発生量を示している。特性Ａ１は、ダイナミックレンジが１００％の輝度となるときの特性を示し、特性Ａ２は、ダイナミックレンジが４００％の輝度となるときの特性を示す。
【００３７】
図３において、信号電荷の発生量が１００％となる所がその撮像素子の飽和レベルであるので、特性Ａ１で示すように、ダイナミックレンジが１００％のときには、所定の露光期間経過後に、信号電荷が１００％となり、撮像素子の映像信号の情報を再現できる。ところが、特性Ａ２で示すように、ダイナミックレンジが４００％のときには、露光期間中に信号電荷が飽和レベルに達してしまい、映像信号としての情報が失われてしまう。
【００３８】
これに対して、図４は、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１のドレインにコイルＬ１を接続し、リセットゲートのＭＯＳトランジスタＴＲ１をスイッチング動作させることで感度調整を行った場合の特性を示したものである。
【００３９】
図４において、特性Ｂ１はダイナミックレンジが１００％となるときの特性を示し、特性Ｂ２はダイナミックレンジが２００％となるときの特性を示し、特性Ｂ３はダイナミックレンジが４００％となるときの特性を示す。
【００４０】
本発明が適用された撮像素子の場合、ダイナミックレンジが１００％のときには、露光期間中では、リセットゲートのＭＯＳトランジスタＴＲ１はオフされ、露光期間中での電荷の引き抜きは行われない。この場合には、図４において特性Ｂ１で示すように、所定の露光時間経過後、信号電荷の電荷量が１００％になる。
【００４１】
ダイナミックレンジが２００％となるときには、露光時間中にリセットゲートのＭＯＳトランジスタＴＲ１がオン／オフされ、ゲート電荷が徐々に引き抜かれる。２００％の輝度のときには、１回のスイッチング動作でオン／オフ１回あたり例えば１％程度電荷が引き抜かれる。このようにすると、図４で特性Ｂ２で示すように、ダイナミックレンジが２００％の照度の場合にも、信号電荷が飽和することがなく、全て映像情報として用いることができる。
【００４２】
ダイナミックレンジが４００％のときには、露光時間中にリセットゲートのＭＯＳトランジスタＴＲ１がオン／オフされ、ゲート電荷が徐々に引き抜かれる。ダイナミックレンジが４００％のときには、１回のスイッチング動作でオン／オフあたり例えば２％程度電荷が引き抜かれる。１回のスイッチング動作での電荷の引き抜き量は、ＭＯＳトランジスタＴＲ１をオン／オフするパルスのパルス幅により設定できる。このようにすると、図４において特性Ｂ３で示すように、ダイナミックレンジが４００％の照度の場合にも、信号電荷が飽和することがなく、全て映像情報として用いることができる。
【００４３】
このように、露光期間中にリセットゲートのＭＯＳトランジスタＴＲ１をオン／オフして電荷を抜いていくようにした場合、図４において特性Ｂ２及びＢ３で示すように、露光時間に対する信号電荷の量の変化がリニアではなくなる。このため、リニアリティ補正が必要である。
【００４４】
また、撮像信号は、黒レベルを０ＩＲＥとし、白レベルを１００ＩＲＥとしているが、１００ＩＲＥ以上については、ＫＮＥＥ領域として、１０８ＩＲＥ以内となるように輝度圧縮が行われる。したがって、撮像出力に対して、リニアリティ補正と、ＫＮＥＥ補正とが必要になる。
【００４５】
図５は、リニアリティ補正後の、輝度と信号量との関係を示すものである。図５において、横軸が輝度を示し、縦軸がリニアリティ補正後の信号量を示す。図５に示すように、ダイナミックレンジが２００％の場合には、補正後の５０％の信号量が１００ＩＲＥに相当する。また、ダイナミックレンジが４００％の輝度の場合には、補正後の信号量の２５％が１００ＩＲＥに相当する。
【００４６】
図６は、リニアリティ補正及びＫＮＥＥ補正後の撮像画像の輝度と、撮像装置の出力レベルとの関係を示すものである。図６において、Ｃ１はダイナミックレンジが１００％の輝度の場合の特性を示し、Ｃ２はダイナミックレンジが２００％の輝度の場合の特性を示し、Ｃ３はダイナミックレンジが４００％の輝度の場合の特性を示す。
【００４７】
このように、ダイナミックレンジが２００％の輝度のときには、リニアリティを補正した後の信号量５０％が撮像素子の出力信号の１００ＩＲＥとなるので、ゲインを２倍とする。そして、リニアリティ補正後の信号量５０％から１００％の領域をＫＮＥＥ領域として撮像素子の信号出力の１００ＩＲＥ〜１０８ＩＲＥ内に輝度圧縮する。
【００４８】
また、ダイナミックレンジが４００％の輝度のときには、リニアリティを補正した後の信号量２５％が撮像素子の出力信号の１００ＩＲＥとなるので、ゲインを４倍とする。そして、リニアリティ補正後の信号量２５％から１００％の領域をＫＮＥＥ領域として撮像素子の信号出力の１００ＩＲＥ〜１０８ＩＲＥ内に輝度圧縮する。
【００４９】
図７は、ダイナミックレンジが４００％の輝度の場合に、量子化効率の観点からみたリニアリティ補正前の信号電荷量と、補正後の撮像信号出力との関係を示すものである。ダイナミックレンジが４００％の場合、上述したように、補正後の信号量２５％が１００ＩＲＥに相当する。この補正後の信号量の２５％に相当する１００ＩＲＥは、図７に示すように、撮像素子の電荷量に換算すると、約６０％の電荷量となる。
【００５０】
このように、ダイナミックレンジが４００％の輝度の場合について言えば、リニアリティ補正をした後の信号量２５％は、信号電荷の量に換算すると約６０％以上になる。通常、単純にゲインを上げると、それに伴ってノイズ量も上がってしまうが、このように、信号量２５％は信号電荷の量に換算すると約６０％以上にもなるので、ゲイン４倍としても、量子効率の観点では実質的なゲインは２倍にも満たない。このような特徴があるため、ゲインを上げてダイナミックレンジを広げるような一般的な撮像装置に比べると、Ｓ／Ｎ比の点において有利なシステムといえる。
【００５１】
図８は、撮像素子のダイナミックレンジを有効画素内で複数に分割されたエリア毎に調整できるように撮像素子の出力を演算処理できる撮像装置の一実施形態を示すものである。この例では、１フレームを複数の分割エリアに分け、各分割エリア毎に、ダイナミックレンジの調整を行うようにしている。
【００５２】
図８において、撮像素子１０は、Ｘ−Ｙアドレス型の撮像素子であり、図２に示したように、各撮像素子として、入射光を光電変換するフォトダイオードＤ１と、このフォトダイオードＤ１と接続されたリセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１と、ＭＯＳトランジスタＴＲ１と接続された時定数回路となるコイルＬ１とを設け、露光時間中の全期間にわたって、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１を間欠的にスイッチング動作させることで、感度の調整が行えるようにしたものが用いられる。
【００５３】
撮像素子１０には、タイミング発生回路１３から、転送パルス及び画素選択パルスが供給される。
【００５４】
また、タイミング発生回路１３には、ダイナミックレンジ調整パルス生成回路１４が含まれる。このダイナミックレンジ調整パルス生成回路１４からのリセットパルス及びダイナミックレンジが撮像素子１０に供給される。
【００５５】
レンズ１２と撮像素子１０との間には、ＩＲカットフィルタ、光学ローパスフィルタなどの光学フィルタ１１が配されている。レンズ１２により集光された被写体像光は、撮像素子１０の受光面に被写体像が結像される。撮像素子１０で、被写体像光が光電変換される。撮像素子１０からの撮像出力信号は、分割エリア毎に、撮像信号処理回路１５に供給される。撮像信号処理回路１５は、撮像素子の分割された画素領域毎のエリアマップを有しており、撮像素子から領域分割された出力信号を受信し、エリア毎の処理を行う。
【００５６】
撮像信号処理回路１５は、（ｍ×ｎ）設定別リニアリティ補正回路２１と、画像信号処理回路２２と、複数分割エリア段差補正フィルタ２３と、飽和領域検波器２４と、低レベル出力検波器２５と、複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６とを有している。
【００５７】
（ｍ×ｎ）設定別リニアリティ補正回路２１は、有効画素内で複数に分割されたエリア毎に設定されるダイナミックレンジというパラメータと、１フレームに設定される露光時間というパラメータとの（ｍ×ｎ）の行列パラメータ設定別に、それぞれリニアリティ補正を行う。
【００５８】
（ｍ×ｎ）設定別リニアリティ補正回路２１には、図９に示すように、ｍ種類のダイナミックレンジと、ｎ種類の露光期間に対応させて、（ｍ×ｎ）の補正関数が用意されている。この補正関数における（ｘ）は、信号電荷の量である。例えば、ダイナミックレンジが４００％で、露光期間を１／６０秒に設定したときには、関数ｆ１２（ｘ）を使って補正することで、リニアリティ補正が行える。
【００５９】
図８において、（ｍ×ｎ）設定別リニアリティ補正回路２１によりリニアリティ補正された信号は、画像信号処理回路２２に送られる。画像信号処理回路２２は、ガンマ補正、エッジ強調、ホワイトバランス等の画像処理を行うものである。画像信号処理回路２２の出力信号は複数分割エリア段差補正フィルタ２３を介して出力されると共に、飽和領域検波器２４に送られる。
【００６０】
飽和領域検波器２４は、有効画素内で複数に分割されたエリア毎に、各エリア内で撮像素子の中にある信号電荷の飽和が発生していないかを調査する検波器である。なお、飽和領域検波器２４としては、信号電荷の飽和による映像情報の劣化の程度によりスレッショルドレベルを設定しても良い。飽和領域検波器２４の出力信号は、複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６に送られると共に、低レベル出力検波器２５に送られる。
【００６１】
低レベル出力検波器２５は、各エリア毎に設定されたダイナミックレンジに対して、実際の輝度レベルが低い場合を検出するものである。設定されたダイナミックレンジに対して実際の輝度が低い場合には、低レベル出力検波器２５は低レベル出力と判定し、ダイナミックレンジを戻すような指示を複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６に与える。
【００６２】
複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６は、飽和領域検波器２４からの検出出力と、低レベル出力検波器２５からの検波出力を受けて、有効画素内で複数に分割されたエリア毎に、それぞれに最適となるダイナミックレンジを設定するための処理を行う。
【００６３】
例えば、設定されていたダイナミックレンジが１００％であったのに対して、１５０ＩＲＥとなるようなエリアがあった場合には、撮像素子の中の信号電荷が飽和状態となる。この場合には、飽和領域検波器２４からの飽和状態に達したことを示す検出出力が送られる。複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６は、この飽和状態にあることを示す検波出力を受けて、そのエリアのダイナミックレンジを例えば２００％に広げるための処理を行う。
【００６４】
これに対して、例えば、設定されていたダイナミックレンジが２００％であったのに対して、１０ＩＲＥとなるようなエリアがあった場合には、入射輝度レベルに対してダイナミックレンジが広すぎる。この場合には、低レベル出力検波器２５から低レベルの検波出力が送られる。複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６は、この低レベルであることを示す検波出力を受けて、そのエリアのダイナミックレンジを例えば１００％に戻すための処理を行う。
【００６５】
複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６の出力信号は、タイミング発生回路１３のダイナミックレンジ調整パルス生成回路１４に供給される。ダイナミックレンジ調整パルス生成回路１４からは、各エリア毎に、複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路２６からのダイナミックレンジ設定信号に応じたパルス幅のダイナミックレンジ調整パルスが出力される。
【００６６】
図８に示す構成の撮像装置では、飽和領域検波器２４及び低レベル出力検波器２５の出力を用いて最適なダイナミックレンジを判断し、判断されたダイナミックレンジに基づいて、ダイナミックレンジ調整パルスのパルス幅を設定して、最適なダイナミックレンジとなるように制御している。この場合、最速でも１フレームフィードバックとなり、１フレーム前には存在しなかった高輝度な被写体に対しての撮像素子の飽和は考えられるが、２フレーム連続での撮像素子の飽和は回避できる。
【００６７】
また、図８に示す構成の撮像素子では、各エリア毎のダイナミックレンジの設定を行っているため、各エリア毎に輝度段差が発生する可能性がある。そこで、撮像信号処理回路２２の出力信号は複数分割エリア段差補正フィルタ２３を介して出力される。この複数分割エリア段差補正フィルタ２３は、有効画素内で複数に分割されたエリア毎同士の境界線に発生する輝度段差、クロマ段差、フリッカ段差などを空間位相及び時間軸にローパスフィルタなどのフィルタを設けることで目立たなくするものである。
【００６８】
なお、図８に示した構成では、例えば有効画素内で複数に分割されたエリア毎に、ダイナミックレンジの調整を行っているが、エリアの分割数や、エリアの分割の仕方は、各種考えられる。本発明は、エリアをどのように分割した場合にも適用できる。
【００６９】
また、エリアをライン毎に設定したり、画素毎に設定したりしても良い。つまり、エリア毎の分割は、Ｘ−Ｙアドレス出力とすることができ、画素選択パルスは、有効画素内で複数に分割されたエリア選択パルスとすることができ、ライン選択パルスとすることもでき、Ｘ−Ｙアドレス選択パルスとすることもできる。
【００７０】
以上説明したように、本発明が適用された撮像装置では、各画素として、入射光を光電変換するフォトダイオードＤ１と、このフォトダイオードＤ１と接続されたリセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１と、ＭＯＳトランジスタＴＲ１と接続された時定数回路となるコイルＬ１とを設け、露光時間中の全期間にわたって、リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタＴＲ１を間欠的にスイッチング動作させることで、感度の調整が行えるようにしたものが用いられる。このような構成の撮像装置を用いてダイナミックレンジを設定した場合には、露光期間を変えることなく、最適なダイナミックレンジに設定できるという利点がある。
【００７１】
つまり、従来のように、露光期間を変えてダイナミックレンジを設定するシステムでは、例えば２種類の露光期間を設定した場合には、図１０に示すように、ダイナミックレンジ１００％に設定した場合には、露光期間Ｔ１の電荷Ｑ１の面積と、露光期間Ｔ２の電荷Ｑ２の面積との和となり、ダイナミックレンジ２００％に設定した場合は、例えば露光期間Ｔ１の電荷Ｑ１の面積のみとなり、ダイナミックレンジによって露光時間が変わってくる。このようなシステムでは、カメラマンが所望の露光期間を設定したにも係わらず、撮像装置側の判断で、必ずしもカメラマンの意図としない複数の露光期間に、露光期間が変更されてしまう。
【００７２】
また、この場合、被写体照度が１フレーム内で変化した場合には、複数の露光期間を切り換えたことによる照度段差が発生する。有効画素内で複数に分割されたエリア毎で複数のダイナミックレンジを設定した場合は、エリア毎に照度段差が発生してしまう。１フレーム内で色温度が変化した場合も、同様な理論からクロマ段差が発生してしまう。
【００７３】
また、図１０を参照すれば、二つの異なる露光期間Ｔ１と露光期間Ｔ２を時間軸で異なるサンプル量と考えることもできるので、動いている被写体の場合には、エリア毎に複数に設定されたダイナミックレンジに依存して、１フレームの中に被写体のブレ量の異なる画像が存在することになる。
【００７４】
これに対して、本発明では、信号電荷リセット機能に時定数を持たせた撮像素子のリセット素子をスイッチング動作させることで感度調整を可能とした撮像素子によるダイナミックレンジの設定を行っており、露光時間の変化がない。
【００７５】
つまり、図１１に示すように、信号電荷リセット機能に時定数を持たせた撮像素子のリセット素子をスイッチング動作させることで感度調整を可能とした撮像素子によるダイナミックレンジの設定では、ダイナミックレンジ１００％に設定した場合には、露光期間Ｔ１の電荷（Ｑ１ａ＋Ｑ１ｂ）の面積と露光期間Ｔ２の電荷（Ｑ２ａ＋Ｑ２ｂ）の面積との和であり、ダイナミックレンジ２００％に設定した場合には、電荷Ｑ１ｂの面積と電荷Ｑ２ｂの面積との和であり、露光時間は共に（Ｔ１＋Ｔ２）で等しい。
【００７６】
図１１のように、本発明の場合には、被写体照度が１フレーム内で変化しても、露光時間は変化しないので、カメラマンが設定した露光期間のまま、撮影が行える。また、１フレーム中に複数の露光期間が存在しないので、有効画素内で複数に分割されたエリア毎での照度段差が軽減される原理を有する。
【００７７】
被写体の色温度が１フレーム内で変化した場合についても、例えばＲＧＢ別に被写体照度が変化することと同じ理論になるので、有効画素内で複数に分割されたエリア毎でのクロマ段差が軽減される。
【００７８】
また、図１１を参照すれば、露光期間中にカメラマンの設定した露光期間を変えることなく信号電荷を抜き取るシステムにより感度調整を行うことから、動いている被写体の有効画素内で複数に分割されたエリア毎で異なるダイナミックレンジに設定されても、１フレームの中にブレ量の差を抑制する効果がある。
【００７９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、ビデオカメラ等に用いられる撮像装置において、ダイナミックレンジを変更可能とするようなシステムに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明が適用できる撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用された撮像素子の画素の一例の接続図である。
【図３】フォトダイオードで発生する信号電荷の説明に用いるグラフである。
【図４】スイッチング動作により調整された信号電荷の説明に用いるグラフである。
【図５】リニアリティ補正後の輝度と信号量との関係を示すグラフである。
【図６】輝度と撮像装置の出力との関係を示すグラフである。
【図７】量子効率の観点からみたリニアリティ補正前の信号電荷の量と、撮像装置の出力との関係を示すグラフである。
【図８】本発明が適用された撮像装置の一実施形態のブロック図である。
【図９】（ｍ×ｎ）リニアリティ補正関数の説明図である。
【図１０】従来のダイナミックレンジの設定における露光時間と被写体照度との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明のダイナミックレンジの設定における露光時間と被写体照度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１  垂直走査回路
２  水平走査回路
１０  撮像素子
１１  光学フィルタ
１２  レンズ
１３  タイミング発生回路
１４  ダイナミックレンジ調整パルス生成回路
１５  撮像信号処理回路
２１  （ｍ×ｎ）設定別リニアリティ補正回路
２２  撮像信号処理回路
２２  画像信号処理回路
２３  複数分割エリア段差補正フィルタ
２４  飽和領域検波器
２５  低レベル出力検波器
２６  複数分割エリア毎ダイナミックレンジ設定回路
Ｌ１ 時定数回路を構成するコイル
ＴＲ１ リセットゲートとなるＭＯＳトランジスタ
ＴＲ２ 転送ゲートとなるＭＯＳトランジスタ
ＴＲ３ 電荷−電圧変換を行うＭＯＳトランジスタ
ＴＲ４ 画素選択用のＭＯＳトランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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